有了這種設備，「紙片人」不但能看，還能摸到啦

探索 02-27

虛擬現實=VR眼鏡？這個想法可能早已過時了。

在主打VR的電影《頭號玩家》中，角色們都戴有觸覺反饋手套，能夠感受到「手中」的虛擬物體。通過全身的VR套裝，他們還能感到施加於身體的衝擊力，甚至愛撫時的溫柔觸碰。如今，這樣的場景都有望實現了，虛擬現實不再局限於視覺和聽覺，也將拓展人類的另一種感官——觸覺。

電影《頭號玩家》

工程師們正致力於為電子遊戲創造真實的觸覺感受，而在人機交互中增加觸覺技術，也能加強我們對機器的控制，增強假肢的功能，促進教育，方便導航、溝通甚至在線購物。

「在過去，觸覺技術一直專註於設備的提醒功能，比如手機或手柄的振動反饋。」計算機科學家希瑟·卡爾伯森（Heather Culbertson）說，「但現在應用重點已經變了，人們專註於讓東西摸起來更自然，讓它們有更接近天然材料的觸感，還原自然交互的感覺。」

三種不同的觸覺設備：抓握式、穿戴式、觸摸式 | Knowable Magazine

抓握式：抓好，抓緊

不可否認，精準操作機器人是非常困難的，但觸覺設備能助你一臂之力。

以手術機器人為例，醫生用它實施遠程手術，操作非常精細的工具，或者執行人手無法完成的任務。大量研究表明，給手術機器人添加觸覺反饋能提高手術精度，減少組織損傷和手術時長。觸覺反饋還可以讓醫生在VR手術中進行零風險訓練，同時體驗到實際切割和縫合的感覺。

迪士尼開發的遠程機器人 | DisneyResearchHub

觸覺式遠程機器人則能實現安全的人機交互。這種技術結合了高清視頻、音頻和互動式組件，並在網路上創建一種獨特的"面對面"體驗。迪士尼就開發了這樣的系統，用氣動管驅動人形機器人手臂，另有一組對應的機械臂，專門供人抓握。使用者可以通過操縱自己這邊的機械臂，讓另一邊的機器人手臂抓住氣球，拿起雞蛋或拍打小孩的臉頰。

再來看看小規模的應用，比如一款名為Foldaway的攜帶型觸覺界面。

圖 | ALICE CONCORDEL

它看起來就像是飲料的托盤，有三個鉸接的微型機械臂。在它的頂部裝設塑料握把後，這個設備就成為了三維的控制桿：三個機械臂會反饋推力，讓用戶感受到他們正在擠壓的物體。在演示中，研究團隊使用這些設備來控制無人機和擠壓虛擬物體等。

這些設備很有應用前景，但也存在一個明顯的問題：如何讓它們產生重量感呢？

為了解決這個問題，科學家們從神經科學入手，開發出一款名為Grabity的虎鉗——使用者抓住它並擠捏以拾取虛擬物體。該設備只需通過特定的振動，就能讓人產生錯覺，體會到重量和慣性。

Grabity能提供重量和慣性的錯覺，圖中模仿的是抓起木塊的感覺 | STANFORD SHAPE LAB

穿戴式：轉化感覺信息

抓取式的設備通常利用的是動覺感受：運動、位置和力的作用產生的感覺，由皮膚、肌肉、肌腱和關節中的神經元傳導。穿戴式設備則利用的是皮下神經傳導的觸覺感受——壓力、摩擦或溫度。

大部分該類裝置都是佩戴在手指上的。當在虛擬現實中觸摸物體時，設備以相應力度按壓指尖。

但是最近有一款設備擁有相同類型的反饋，卻無需覆蓋到指尖的部位。相反，它可以戴在我們戴戒指的手指部位，並且有一塊馬達來拉伸手指皮膚。這樣，我們既能自由地與現實物體交互，也能感知到「虛擬」物體。

圖 | DOMENICO PRATTICHIZZO

在測試中，一個人手持粉筆，在虛擬黑板上「書寫」，並通過觸錯覺感受到手指壓力：當人們看到粉筆接觸黑板並感覺到皮膚被拉伸時，其實他們被指尖的壓力愚弄了。

穿戴式觸覺設備也能通過振動和用戶交流。例如，卡爾伯森的實驗室正在開發一種腕帶，通過振動來引導佩戴者，振動方位即目的方位。神經科學家大衛·伊格曼（David Eagleman）的團隊則開發了一種帶有32個振動電機的背心——VEST。這種背心曾在科幻劇《西部世界》中出現過，它能幫助角色發現正在接近的敵人。

熱播美劇《西部世界》中的黑科技背心 | Westworld/HBO

VEST最有前景的應用之一是把聲音轉化為觸覺，使聽障人士更容易理解口語。同樣，各類視覺信息也能轉化為振動，供盲人理解視覺世界。研究者還有一個比較大膽的設想，他們希望VEST能表達更抽象的信息，比如市場行情和環境數據。

不過目前來看，提供振動反饋的電機可能還很笨重。因此，一些實驗室正在開發更舒適的解決方案，比如柔軟的氣動驅動器（SPA）皮膚。它是一片厚度小於2毫米的柔軟硅膠，其中點綴著微小的氣囊。

包含微小氣囊的仿皮膚材料能提供振動反饋 | ADAPTED FROM H.A. SONAR ET AL / FRONTIERS IN ROBOTICS AND AI 2016

這些氣囊可以每秒獨立膨脹和放氣幾十次，從而構成觸覺元素的像素——或者說「觸素」，來創造一種網格狀的觸覺。它們可能會讓用戶體驗到置身《頭號玩家》套裝中的那種感覺，或者向用戶反饋機器人的方位或假肢的觸覺。SPA皮膚還嵌入了由新型耐腐蝕合金製成的感測器，當用戶擠壓該皮膚時，SPA皮膚就可以把壓感信號輸入計算機。

還有一種更薄的觸覺薄膜，它的厚度不到半毫米。當薄膜貼於柔性薄片，並對薄膜施加電荷時，薄膜收縮並彎曲薄片，以此對皮膚施加壓力。設備製造商正在應用這種由新型聚偏二氟乙烯塑料製成的材料，生產主打VR的觸覺手套。

除了觸覺感受，肌肉、關節和肌腱的動覺感受也能輸出到設備——比如機器人外骨骼。

FlyJacket | EPFL LIS/YOUTUBE

如果將FlyJacket穿在手臂上，你就能體驗到飛行的感覺。這款外骨骼在構造上比較簡單：手臂和腰部的部件通過活塞連接。使用者只需移動手臂和扭動軀體，即可控制無人機的飛行。當無人機被風猛吹時，人們甚至可以感受到「風阻」。

觸摸式：觸手可感

點擊屏幕並獲得振動反饋，這已經是智能手機的標配了。隨著技術的發展，我們能在屏幕上感受到更多觸覺信息嗎？

當然可以。比如，卡爾伯森正在開發一種「數據驅動觸覺」設備，它能逼真地模擬物體表面的粗糙度、硬度和光滑度。這種模擬並不依賴於複雜的演算法和物理模型，只需要收集物體划過各種表面材料時的數據。當你用筆划過屏幕時，就能在屏幕上獲得相應的振動反饋——不同的振動對應不同的紋理。該技術的潛在應用包括線購物和虛擬博物館。